Лекция 8

Тема 11	ТЕРМОДИНАМИКА - раздел физики, изучающий свойства физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями
Термодинамическая система	➨ совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и внешней средой посредством теплообмена.
Макроскопические параметры	➨ величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел (p, V,Т);
Тепловое равновесие (термодинамическое равновесие)	➨ состояние термодинамической системы, к которому она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды; ➨ при тепловом равновесии прекращаются все виды теплообмена, температура составляющих термодинамической системы одинакова;
Теплообмен (теплопередача)	➨ процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Виды теплообмена: ‒ конвекция, ‒ теплопроводност ь, ‒ тепловое излучение.
● конвекция	➨ перенос энергии потоками жидкости или газа;
● теплопроводность	➨ непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела;
● тепловое излучение	➨ электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет расхода собственной внутренней энергии; ➨ тепловое излучение присуще газам, жидкостям и твердым телам;
ТЕМПЕРАТУРА	➨ физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела;
● с точки зрения ТД	➨ температура является величиной, характеризующей направление теплообмена;
● с точки зрения МКТ	➨ температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул идеального газа;
● абсолютный нуль температуры	➨ температура, при которой прекращается поступательное движение молекул; ➨ температура абсолютного нуля равна - 273 С;
Измерение температуры	➨ прибор для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой; снабжен шкалой температур для отсчета показаний; в устройстве использовано свойство тел изменять объем при нагревании или охлаждении.
● термометр
Термометрическая величина	➨ физическая величина, служащая индикатором температуры. Например, в спиртовом термометре: термометрическое тело - спирт; термометрическая величина -объем спирта;
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ	➨ системы сопоставимых значений температуры, представляющие собой конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства;
● шкала Цельсия t [⁰С]	➨ температурная шкала, в которой базовыми точками были приняты: - температура таяния льда; - температура кипения воды; ➨ интервал между этими значениями разделен на 100 равных частей, названных градусами Цельсия (⁰С), обозначается буквой t; ➨ в 1742 г. предложил шведский ученый А. Цельсий; шкала широко используется в настоящее время во всем мире;
● шкала Кельвина T [К] Т = t⁰C + 273 К	➨ абсолютная шкала температур; шкала разделена на 100 равных частей; ➨ величина градуса этой шкалы равна градусу шкалы Цельсия - (1⁰С = 1К) и называется Кельвин (К); обозначается буквой Т; = 273 К; = 373 К; 0 К = -273С. ➨ в 1848 г. шкала была предложена английским физиком У. Томсоном (лордом Кельвином).
● шкала Фаренгейта t_Ф [⁰F]	➨ температурная шкала, в которой интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на 180 частей – градусов Фаренгейта (⁰F); точке таяния льда присвоено значение 32⁰F, точке кипения воды 212 ⁰F; обозначается t_Ф. ➨ в 1724 г. шкала предложена немецким физиком Д.Г. Фаренгейтом, традиционно применяется в ряде стран (в частности, в США, в Англии). ➨ Например, по Фаренгейту нормальная температура человеческого тела 98⁰ F;
● шкала Реомюра t_R [⁰R] 1⁰R = 1,25⁰С	➨ температурная шкала, единицей которой являлся градус Реомюра (⁰R), равный 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0⁰R) и кипения воды (80⁰ R). ➨ в 1730 г. шкала предложена французским ученым Р.А. Реомюром. В России шкала использовалась до 1930 г., в настоящее время практически вышла из употребления;
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ U [Дж]	➨ сумма кинетической энергии теплового движения молекул (атомов) и потенциальной энергии их взаимодействия;
● внутренняя энергия одноатомного идеального газа	➨ равна сумме средних кинетических энергий поступательного движения молекул, составляющих газ ( ; )
● изменение внутренней энергии	➨ в ТД процессе изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера этого процесса.
● cпособы изменения внутренней энергии	➨ 1) теплообмен (нагревание или охлаждение газа); 2) совершение работы (сжатие или расширение газа);
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ Q [Дж]	➨ мера изменения внутренней энергии тел при теплообмене; ➨ калория – внесистемная единица количества теплоты 1 кал = 4,1868 Дж; 1 ккал = 4186,8 Дж
● теплоемкость вещества	➨ физическая величина, численно равная количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить телу для нагревания его на один градус (1⁰С или 1 К)
● удельная теплоемкость вещества	➨ количество теплоты Q, подводимое к веществу массой 1 кг для изменения его температуры на один градус (1⁰С или 1 К); ➨одно и то же вещество, находящееся в разных агрегатных состояниях, имеет разную удельную теплоемкость; Например, с_льда= 2100 Дж/кг·К; с_воды= 4200 Дж/кг·К
● теплота нагревания охлаждения	► с – удельная теплоемкость вещества; - масса вещества; ► формула справедлива в пределах одного агрегатного состояния вещества;
● молярная теплоемкость	➨ количество теплоты, подводимое к одному молю вещества для изменения его температуры на один градус (1⁰С или 1 К);
● закон сохранения количества теплоты уравнение теплового баланса	➨ в процессе теплообмена количество теплоты, отдаваемое телами с более высокой температурой, равно количеству теплоты , которое получают тела с более низкой температурой;
● пример уравнения теплового баланса с₁m₁(T₁- ) = = с₂m₂( -T₂)	➨ описывает состояние теплового равновесия двух тел с удельной теплоемкостью, массой и начальной температурой с₁,m₁,T₁ и с₂,m₂,T₂ соответственно и установившейся промежуточной общей температурой (Т₁> >Т₂);
РАБОТА в термодинамике	➨ находящийся в сосуде газ оказывает на поршень площадью S давление р=F/S, под действие которого поршень перемещается на расстояние , изменяя объем газа на и совершая работу ;
● знак работы	работа положительная при расширении газа ; работа отрицательная при сжатии газа ; работа равна нулю, если объем газа не изменялся с течением времени;
Работа в изопроцессах
● изотермический процесс	➨ или
● изобарный процесс	➨
● изохорный процесс	➨ А=0
Графическое изображение работы
ЛЕКЦИЯ 9
Закон сохранения энергии в тепловых процессах	➨ во всех процессах, происходящих в природе, энергия не исчезает и не создается, а переходит от одного тела к другому и превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах;
ПЕРВЫЙ ЗАКОН термодинамики	➨ количество теплоты Q, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение внутренней энергии ΔUсистемы и на совершение системой механической работы A;
● вечный двигатель первого рода	➨ нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю извне.
Применение первого закона ТД к изопроцессам
● изотермический процесс	➨ = или Q=
● изобарный процесс	➨
● изохорный процесс	➨
● адиабатный процесс	➨
Необратимость тепловых процессов	➨ необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении – от горячего тела к холодному; в обратном направлении они могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Все реальные процессы – необратимые, протекают с невосполнимой потерей энергии на нагрев окружающей среды, преодоление сил трения.
ВТОРОЙ ЗАКОН термодинамики	➨ исторически открытие второго закона ТД было связано с изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин, проведенным французским ученым С. Карно. Позднее Клаузиус и Кельвин предложили различные по виду, но эквивалентные формулировки второго закона ТД;
● формулировка Клаузиуса	➨ невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому;
● формулировка Кельвина	➨ невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу;
● вечный двигатель второго рода	➨ невозможно построить периодически действующую машину, которая целиком превращала бы в работу теплоту, извлекаемую из окружающих тел (океана, атм. воздуха);
Статистическое обоснование второго закона ТД	➨ второй закон термодинамики является статистическим законом и описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему;
Круговой процесс (цикл)	➨ термодинамический процесс, в результате совершения которого рабочее тело возвращается в исходное состояние; ➨ на диаграммах состояния p-V, p-T и др. изображаются в виде замкнутых кривых; ➨ круговые процессы являются физической основой работы тепловых двигателей;
● прямой цикл	➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает положительную работу за счет сообщенной ему теплоты; ➨ на диаграмме прямой цикл изображен замкнутой кривой, которая обходится по часовой стрелке ();
● обратный цикл	➨ круговой процесс, в котором рабочее тело совершает отрицательную работу, т.е. над рабочим телом совершается и от него отводится равное количество теплоты; ➨ на диаграмме обратный цикл изображен замкнутой кривой, которая обходится против часовой стрелки ();
Тепловой двигатель	➨ периодически действующая машина, совершающая механическую работу за счет получаемого извне количества теплоты; ➨ периодичность заключается в многократном повторении одного и того же рабочего цикла – после расширения следует сжатие газа; ➨ реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу: после расширения газ выбрасывается и сжимается новая порция; цикл может быть замкнутый, тогда расширяется и сжимается одна и та же порция газа;
● устройство теплового двигателя	➨ Рабочее тело - газ или пар – при расширении совершает работу. Нагреватель имеет температуру Т_ни передает количество теплоты Q_нрабочему телу. При сжатии рабочее тело передает холодильнику количество теплоты Q_х; температура холодильника Т_х меньше температуры нагревателя Т_н; роль холодильника часто играет атмосфера. Из закона сохранения энергии следует, что работа, совершаемая тепловой машиной за один цикл, равна
● КПД теплового двигателя	➨ отношение работы А,совершенной тепловым двигателем, к количеству теплоты Q_н, полученному от нагревателя;
● идеальный тепловой двигатель	➨ двигатель, не имеющий потерь на механическое трение и работающий по особому круговому циклу, называемому циклом Карно;
Цикл Карно Изотермы - 1-2; 3-4 Адиабаты - 2-3; 4-1	➨ представляет собой идеализацию цикла реальной тепловой машины; рабочим телом является идеальный газ; цикл является прямым обратимым круговым процессом, состоящим из двух изотерм и двух адиабат; ➨ () - изотермическое расширение - рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты ; ➨ () - изотермическое сжатие - рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты ; ➨ при адиабатном расширении и сжатии, энергия извне к рабочему телу не поступает и эти процессы происходят за счет изменения его внутренней энергии;
КПД идеального теплового двигателя	➨ увеличение КПД зависит от разности между температурами нагревателя Т_н и холодильника Т_хи не зависит от свойств рабочего тела и конструкции двигателя;
Основные виды тепловых двигателей	➨ по способам получения механического движения подразделяются на:
● поршневые	➨ паровые машины (КПД до 20%); ➨ двигатели внутреннего сгорания: ▪ карбюраторные (КПД- 18-24%) – создал в 1867г. Н. Отто, применяются в настоящее время; ▪ дизели (КПД - 30-39%) - создал в 1897г. Р.Дизель, применяются в настоящее время;
● ротационные	➨ паровая (КПД до 43%); ➨ газовая турбина (КПД – до 34%);
● реактивные	➨ ракетные двигатели ➨ воздушно-реактивные	(КПД до 42%)

Тема 12	ЖИДКОСТИ И ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Агрегатные состояния вещества	➨ характеризуются определенной внутренней структурой вещества и его свойствами. Различают три агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное. Четвертым агрегатным состоянием вещества считают плазму (ионизированный газ);
· газ	➨ вещество летучее (занимающее весь предоставленный ему объем), легкосжимаемое.
· жидкость	➨ вещество, которое, имея определенный объем, принимает форму сосуда, в котором оно находится; трудно сжимаемое.
· твердое тело	➨ вещества, которые способны длительное время сохранять свои форму и объем без воздействия внешних сил. Различают: кристаллические и аморфные тела.
Изменения агрегатного состояния вещества
ЖИДКОСТЬ ГАЗ
Парообразование	➨ явление перехода твердого или жидкого вещества в пар;
твердого вещества	- сублимация (возгонка);
жидкого вещества	- испарение, кипение;
Сублимация (возгонка) (твердое тело пар)	➨ переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Примеры: бром, йод, нафталин, «сухой лед».
Испарение (жидкость пар)	➨ процесс парообразования, происходящий с открытой поверхности жидкости. Испарение зависит от: 1) рода жидкости; 2) температуры; 3) площади свободной поверхности; 4) внешнего давления; 5) скорости удаления молекул от поверхности жидкости.
Конденсация (пар жидкость)	➨ переход вещества из газообразного состояния в жидкое.
В результате хаотического движения над поверхностью жидкости молекулы пара, попадая в сферу действия молекулярных сил, вновь возвращаются в жидкость.
Пар	➨ совокупность молекул, вылетающих из жидкости.
· насыщенный пар	➨ пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью.
● динамическое равновесие	➨ равенство числа молекул, покинувших жидкость при испарении и вернувшихся в нее при конденсации.
· ненасыщенный пар	➨ пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью (процесс испарения преобладает над процессом конденсации).
Влажность воздуха	➨ характеризует наличие водяного пара в воздухе. Различают: абсолютную и относительную влажность воздуха.
● абсолютная влажность	➨ физическая величина, показывающая, какая масса паров воды находится в 1 м³ воздуха и равная отношению массы m водяного пара к объему воздуха V,в котором он находится; ➨ абсолютная влажность определяется либо плотностью водяного пара в воздухе, либо парциальным давлением водяных паров, находящихся в воздухе
● относительная влажность или	➨ физическая величина, характеризующая степень насыщения воздуха паром; ➨ равнаотношению абсолютной влажности к плотности насыщенного водяного пара при данной температуре, выраженное в процентах или ➨ равна отношению давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р₀ насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. При понижении температуры относительная влажность увеличивается.
● точка росы	➨температура , при которой относительная влажность становится равной 100%. При этой температуре в воздухе и соприкасающихся с ним предметах наблюдается конденсация водяных паров (выпадает роса).
· приборы для измерения влажности	➨ гигрометр, психрометр;
Кипение жидкости	➨ парообразование, происходящее одновременно с поверхности и по всему объему жидкости при постоянной температуре. С повышением внешнего давления температура кипения повышается, а с понижением давления – температура кипения понижается.
● теплота парообразования конденсации [Дж]	➨ теплота парообразования и теплота конденсации численно равны произведению удельной теплоты парообра-зования вещества на его массу .
● удельная теплота парообразования	➨ количество теплоты, необходимое для превращения при постоянной температуре 1 кг жидкости в пар.
ЖИДКОСТЬ ТВЕРДОЕ ТЕЛО
Плавление твердых тел	➨ процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое, происходящий при определенной температуре с поглощением теплоты.
Затвердевание (кристаллизация) твердых тел	➨ процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое, происходящий при определенной температуре с выделением теплоты.
● теплота плавления затвердевания (кристаллизации) [Дж]	➨ теплота плавления и теплота кристаллизации численно равны произведению удельной теплоты плавления тела на его массу .
● удельная теплота плавления Дж/кг]		➨ количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг твердого вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры.
· теплота, выделяющаяся при сгорании топлива [Дж]	➨ теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, равна произведению удельной теплоты сгорания топлива на массу вещества ;
· удельная теплота сгорания топлива Дж/кг]		➨ количество теплоты, которое выделяет 1 кг топлива при полном его сгорании;
Кристаллические тела все металлы, графит, алмаз, кварц, лед	➨ твердые тела, состоящие из молекул (атомов, ионов), которые образуют строго упорядоченную структуру – кристаллическую решетку, связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, расположены в узлах кристаллической решетки и совершают хаотичные колебаний вокруг положения равновесия; ➨ правильную геометрическую форму; периодически повторяющуюся внутреннюю структуру во всем объеме; обладают анизотропией.
● анизотротия	➨ зависимость физических свойств от направления внутри кристалла;
● изотропность	➨ физические свойства одинаковы по всем направлениям;
● монокристаллы	➨ кристаллическое твердое тело, представляющее собой один кристалл.
● поликристаллы	➨ твердые тела, состоящие из множества сросшихся монокристаллов; каждый маленький монокристалл анизотропен, а поликристалл – изотропен; ➨ поликристаллическое строение имеют большинство твердых тел (минералы, сплавы, керамика);
Аморфные тела смола, янтарь, стекло, битум, пластмассы	➨ не имеют строгой кристаллической решетки, атомы вещества хаотично расположены и совершают колебания вокруг положения равновесия; занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями; пластичны; не имеют определенной температуры плавления (затвердевания); изотропны.